3 Procedure di analisi ed analisi effettuate
Il ciclo teorico del motore ad accensione spontanea è il ciclo Otto, ma nel ciclo reale le trasformazioni non avvengono entro i limiti rappresentati dai punti morti. Il ciclo reale si identifica col diagramma indicato, diagramma delle pressioni misurate nel cilindro in corrispondenza delle varie posizioni dello stantuffo. Dal ciclo indicato si traccia il diagramma delle pressioni nel cilindro in funzione degli spostamenti angolari di manovella. Il manovellismo è quindi azionato per mezzo di una pressione, funzione dell’angolo di manovella, applicata al cielo del pistone.
3.1 Analisi dei diagrammi delle pressioni
Il modulo di A/Engine agevola l’applicazione di gas force per muovere i pistoni, con un apposito property file che contiene i grafici pressione-angolo di manovella e lo sfasamento tra gli angoli dei due cilindri. Il software, richiede la posizione angolare (angle offset) dei punti morti superiori ed a partire da tali posizioni fa partire il grafico delle forze dei gas nei cilindri (fig.3.2).
I diagrammi forniti da Piaggio s.p.a., riguardano distintamente il cilindro dal lato della trasmissione e quello dal lato del volano, per le tre configurazioni di lavoro (cap.2) (fig.3.2). Il grafico mostra come le fasi del ciclo si compiano durante spostamenti angolari della manovella, che sono diversi tra loro e da quelli che corrispondono alle corse totali dello stantuffo.
Fig.3.2: Andamento delle pressioni nelle tre configurazioni di esercizio, in funzione dell’angolo di manovella, per il cilindro del lato trasmissione.
In un motore l’accensione deve avvenire prima del punto morto superiore affinché la combustione , che richiede un certo tempo per completarsi, si compia nel modo più prossimo possibile a quello teorico, pressappoco a volume costante. L’istante dell’accensione viene stabilito sperimentalmente per tentativi in corrispondenza della potenza massima ottenibile al limite della detonazione o della ruvidità di funzionamento del motore. Con l‘accensione poco prima della fine della corsa di compressione, ha inizio la fase di combustione; questa genera un repentino innalzamento di pressione, come è evidente dai grafici. Per ottenere un funzionamento regolare e progressivo occorre scegliere l’istante di accensione in modo che, in relazione al tempo impiegato dalla combustione, il punto di pressione massima si verifichi all’inizio della corsa di espansione. Solitamente l’istante in cui si fa scoccare la scintilla corrisponde al punto in cui la pressione è circa la metà del valore raggiunto al PMS. Se la scintilla scoccasse in ritardo la combustione avverrebbe quasi completamente dopo il PMS, la
pressione massima verrebbe raggiunta quando lo stantuffo si è allontanato notevolmente dal PMS ed il suo valore risulterebbe più basso, non consentendo di sfruttare il lavoro utile ottenibile con una buona combustione.
3.2 Azionamento del manovellismo
Per consentire l’azionamento con la sole pressioni sui pistoni, è necessario che l’albero sia portato alla presunta velocità di regime della configurazione che si desidera studiare. L’albero motore è portato a regime mediante l’ausilio di un motion, elemento che assegna alla parte una velocità che può avere un qualsiasi andamento, definito da una funzione del tempo.
Per vincere gradualmente l’inerzia del sistema, è necessario imporre un andamento crescente alla velocità dell’albero, come mostrato in figura 3.3.
Fig.3.3:Andamento della velocità imposta con il motion.
Al fine di analizzare quello che è l’andamento della velocità dell’albero motore sottoposto alle forze di pressione, è necessario disattivare il motion con un comando da inserire nel file.acf (fig.3.4), che il programma genera ogni qual volta viene avviata una simulazione assieme al file.adm, da cui ricercare il numero identificativo del motion.
Nel modello con albero flessibile si sono utilizzati due motion distinti per le due parti di albero non rigide, per evitare le eccessive inflessioni dovute alla brusca accelerazione cui è soggetto nella fase iniziale di raggiungimento della velocità di regime.
3.3 Ricerca della coppia resistente
La resistenza al moto del sistema è offerta dalla sola coppia resistente agente sulla puleggia condotta della trasmissione a variazione continua.
Per conoscere l’entità della coppia resistente, occorre controllare di volta in volta il moto della puleggia motrice collegata all’albero motore. Non conoscendo il valore medio della coppia motrice fornita dal motore Cm, si effettuano varie prove con diverse coppie resistenti applicate all’albero motore. Imposta una coppia resistente di primo tentativo C0, sui modelli rigidi del
solo manovellismo, azionati con la corrispondenti gas force e portati alla velocità di regime media desiderata, si esegue una prima simulazione con motion disattivato e si osserva l’andamento della velocità angolare dell’albero motore (fig.3.5). Si procede aumentando o diminuendo il valore della coppia resistente applicata all’albero, lì dove andrà la puleggia motrice della trasmissione, fino a quando non si ottiene l’andamento voluto.
Fig.3.5: Andamento della velocità angolare dell’albero motore .
Nelle tre condizioni di esercizio analizzate, le coppia motrici medie rilevate sono state:
• 97Nm con motore a 6000 giri/min; • 89.5Nm con motore a 7250 giri/min; • 80Nm con motore a 8500 giri/min.
La coppia resistente agente sulla puleggia condotta dipende dalle condizioni di funzionamento del motorscooter, ed è dovuta alla resistenza al rotolamento (per l’attrito ruota – asfalto), alla resistenza dell’aria, alla pendenza della strada e all’inerzia di tutto il veicolo in accelerazione. La coppia resistente alla puleggia condotta è teoricamente data, tenendo conto delle perdite e quindi del rendimento η del CVT, dalla relazione:
η τm r C C = in cui c m D D =
τ è il rapporto di trasmissione delle pulegge, e e i diametri rispettivamente della puleggia motrice e condotta.
m D Dc
Poiché il rendimento complessivo della trasmissione non è noto a priori, non si può prevedere il giusto valore della coppia resistente, che deve essere applicato alla puleggia condotta, pertanto si procede come segue. Si effettuano simulazioni ripetute, partendo dalla condizione di rendimento unitario, quindi con
τm r
C
C 0 = . Se dalla simulazione ω&c<0, cioè la puleggia condotta decelera, si applica una coppia resistente minore, altrimenti maggiore. Si procede così fino a trovare il valore per cui il moto si stabilizza.
Nei casi in esame i valori del rapporto di trasmissione τ , sono : -Rapporto corto: τ =0.48
-Rapporto lungo: τ =1.20
e quindi le coppie resistenti teoriche sono nei tre casi: -6000giri/min: =202Nm; Cr0
-7250giri/min: =74.5Nm; Cr0 -8500giri/min: =66.6Nm. Cr0
Ricavate le coppie motrici e resistenti delle tre configurazioni, è possibile procedere con le simulazioni di CVT, manovellismo e dei due sistemi accoppiati.
3.4 Prove effettuate
Sul modello di CVT le prove effettuate sono state tre nelle due configurazioni di rapporto lungo e rapporto corto. Nel caso di rapporto lungo la prove sono due, una a potenza massima ossia 7250giri/min ed una a motore fuorigiri ossia 8500giri/min.
L’azionamento avviene mediante l’uso di un testrig che contiene il motion al quale assegnare il valore della velocità angolare (rad/sec) alla puleggia motrice, il momento resistente è invece applicato alla condotta.
Prova 1:Rapporto corto, coppia massima ω =36°/sec Cr =180Nm; Prova 2:Rapporto lungo, potenza massima ω =43.5°/sec Cr =52Nm; Prova 3:Rapporto lungo, motore fuorigiri ω =51°/sec Cr =45Nm.
Sul manovellismo le simulazioni effettuate sono tre, con modello rigido. Le prove sono svolte alle tre velocità di esercizio con le corrispondenti forze dei gas, e con la coppia resistente applicata all’albero in corrispondenza dell’attacco della puleggia motrice.
Modello con albero rigido:
Prova 1:Coppia massima ω =36°/sec Cr =97Nm; Prova 2:Potenza massima ω =43.5°/sec Cr =89.5Nm; Prova 3:Motore fuorigiri ω =51°/sec Cr =80Nm.
Nel sistema accoppiato il tutto è attuato come nel manovellismo e la coppia resistente è applicata alla puleggia condotta del CVT; anche in questo caso le prove sono sei, suddivise tra il modello ad flessibile e quello rigido.
Modello con albero rigido:
Prova 1:Coppia massima ω =36°/sec Cr =180Nm; Prova 2:Potenza massima ω =43.5°/sec Cr =52Nm;
Prova 3:Motore fuorigiri ω =51°/sec Cr =45Nm.
Modello con albero flessibile:
Prova 1:Coppia massima ω =36°/sec Cr =170Nm;
Prova 2:Potenza massima ω =43.5°/sec Cr =52Nm; Prova 3:Motore fuorigiri ω =51°/sec Cr =42Nm.
Modello con albero flessibile sconnesso:
Il valore differente delle coppie resistenti nel modello a corpi rigidi ed a corpi flessibili sarà discusso nel prossimo capitolo ( paragrafo 4.2).
Le simulazioni del CVT ricoprono un tempo di 200msec ed il numero di step eseguiti dal programma sono 1200. La coppia resistente giunge a regime dopo 50msec e la velocità angolare dopo 40msec. Nelle simulazioni in cui è presente il manovellismo le condizioni sono le stesse, ma i motion delle velocità sono disattivati dopo 100msec, a partire da tale tempo quindi l’azionamento avviene ad opera delle gas force.
